Il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha superato la metà del processo pluriennale di fabbricazione di cavi superconduttori cruciali come parte di un progetto per aggiornare il Large Hadron Collider (LHC) al CERN. Questo aggiornamento, ora in corso, aumenterà notevolmente il tasso di collisione della struttura e la sua produttività scientifica.

Il progetto di aggiornamento dell'acceleratore LHC ad alta luminosità, o HL-LHC AUP, è un multi-istituzionale, Contributo degli Stati Uniti per l'aggiornamento della struttura LHC. Il progetto ha sede presso il Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) del DOE.

Un gruppo di magneti di focalizzazione molto più potenti, noto come "tripletta interna, " sono progettati per essere installati su entrambi i lati dei punti di interazione di LHC, dove si scontrano i fasci di protoni separati. Comprimendo i fasci a maggiore densità nei punti di interazione, questi magneti di focalizzazione più potenti aumenteranno il numero di collisioni nel corso della vita della macchina di almeno un fattore 10. Ciò aumenterà significativamente le opportunità di scoprire nuova fisica.

Le bobine per i magneti di focalizzazione AUP HL-LHC sono realizzate con un superconduttore avanzato di niobio-stagno (Nb3Sn) in una matrice di rame. Uno dei principali contributi di Berkeley Lab è la fabbricazione di tutti i cavi da utilizzare nei magneti. Il compito ha raggiunto la metà nel gennaio 2021.

Giorgio Apollinari del Fermilab, Project Manager AUP, detto della pietra miliare, "Questo è un grande risultato di 'turn-of-the-buoy' poiché consente al progetto di continuare senza ostacoli nella produzione di questi magneti AUP HL-LHC critici".

Soren Prestemon, capo progetto del Berkeley Lab e direttore del Berkeley Center for Magnet Technology (BCMT), ha aggiunto:"Questo traguardo è una pietra miliare straordinaria per il nostro team di cablaggio, che hanno fornito risultati eccezionali per il progetto, ancora più notevoli date le complessità del lavoro in loco sotto i vincoli del COVID."

L'AUP complessivo è stato recentemente concesso l'approvazione Critical Decision 3 (CD-3) nel processo di gestione del progetto del DOE, dando il via alla produzione in serie dei magneti stessi. La fabbricazione dei cavi era già iniziata con un approccio gestionale in cui gli articoli a lungo termine, come l'approvvigionamento di fili e la fabbricazione di cavi, ha ricevuto le approvazioni per andare avanti prima della produzione in serie dei magneti.

"Il progetto AUP sfrutta una vasta esperienza e capacità nella tecnologia avanzata dei magneti Nb3Sn presso il Berkeley Lab, "ha detto Cameron Geddes, direttore della divisione Tecnologia degli acceleratori e fisica applicata (ATAP) del Berkeley Lab. ATAP e la Divisione Ingegneria hanno formato il BCMT per unire le forze nella progettazione avanzata dei magneti. Geddes ha aggiunto, "Questa pietra miliare fondamentale dimostra l'impegno del laboratorio per il progetto e la capacità unica del team di soddisfare i suoi requisiti impegnativi".

Dal conduttore al cavo al magnete

La maggior parte delle persone ha visto o addirittura costruito elettromagneti realizzati con bobine di filo singolo, un oggetto familiare alle fiere della scienza nelle scuole e nei prodotti di consumo. Però, ci sono molte ragioni per cui questi non funzionerebbero bene nei magneti dell'acceleratore. Anziché, gli acceleratori utilizzano cavi formati da più trefoli di filo superconduttore. I cavi sono piatti, con una sezione trasversale rettangolare o leggermente trapezoidale "keystone", un profilo noto come "stile Rutherford" dopo il Rutherford Appleton Laboratory in Inghilterra, che ha sviluppato il disegno.

I cavi Rutherford sono flessibili quando piegati sulla loro ampia superficie, che rende facile l'avvolgimento della bobina. Però, i trefoli ai bordi sottili del cavo sono fortemente deformati e la loro stabilità termoelettrica potrebbe essere degradata, quindi la sagomatura deve essere attentamente monitorata e controllata.

Il team AUP complessivo è supportato dal DOE Office of Science ed è composto da sei laboratori statunitensi e due università:Fermilab, Laboratorio nazionale di Brookhaven, Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley, Laboratorio nazionale degli acceleratori SLAC, e Thomas Jefferson National Accelerator Facility (tutti i laboratori nazionali DOE), insieme al National High Magnetic Field Laboratory, Università del Vecchio Dominio, e la Florida State University. Ognuno porta punti di forza unici alle sfide della progettazione, costruzione, e testando questi magneti avanzati e i loro componenti. I partner industriali forniscono il filo superconduttore.

Berkeley Lab spedisce i cavi a Fermilab o Brookhaven per essere fabbricati in bobine e fatti reagire (trattati termicamente) per attivare la loro superconduttività. Le bobine reagite vengono restituite al Berkeley Lab, che li utilizza per realizzare magneti quadrupoli. Questo recente articolo offre uno sguardo approfondito su come più istituzioni usano i loro punti di forza complementari per creare magneti per l'AUP.

"Questi magneti sono il culmine di oltre 15 anni di sviluppo tecnologico, a partire dalla collaborazione LARP (LHC Accelerator Research Program), ", ha affermato Dan Cheng della divisione di ingegneria di Berkeley Lab.

"Occhi d'aquila per la qualità e grandi cuori collaborativi"

Laboratorio di Berkeley, che quest'anno compie 90 anni, ha una lunga storia di collaborazioni nazionali e internazionali nella progettazione e costruzione di acceleratori, e la sua esperienza nei magneti superconduttori risale ai primi anni '70.

La macchina per il cablaggio del movimento planetario del Berkeley Lab è stata progettata e installata nei primi anni '80 e ha ricevuto continui aggiornamenti nel corso degli anni. Ha contribuito a un gran numero di progetti DOE come l'aggiornamento del Fermilab Tevatron e quindi lo sviluppo iniziale del Superconducting Super Collider. Oggi, l'impianto di cablaggio è un'infrastruttura chiave per le attività dei magneti superconduttori di Berkeley Lab.

L'impianto di cablaggio vanta anche una suite di livello mondiale di sistemi di garanzia della qualità per monitorare le proprietà dei cavi. Questi includono una macchina di misurazione del cavo in linea in grado di misurare i parametri dimensionali di un cavo a una pressione impostata, un sistema di telecamere in linea in grado di registrare ogni millimetro di tutti e quattro i lati dei cavi fabbricati ed eseguire analisi delle immagini, e un sistema di crio-raffreddamento appositamente progettato per misurare in modo riproducibile i parametri chiave.

Le persone che assemblano e utilizzano questa attrezzatura sono nelle divisioni ATAP e Engineering di Berkeley Lab. Ian Pong, uno scienziato del personale in ATAP e responsabile del cablaggio del Berkeley Lab per l'HL-LHC AUP, ha dichiarato:"Non abbiamo solo apparecchiature di livello mondiale per la fabbricazione di cavi superconduttori all'avanguardia, ma soprattutto, un team di livello mondiale di persone che hanno occhi d'aquila per la qualità e grandi cuori collaborativi per i progetti."

Apollinare ha detto "Il gruppo Berkeley Lab guidato da Ian si è distinto nella produzione di alta qualità dei cavi Nb3Sn, soddisfacendo non solo i severi requisiti di garanzia e controllo della qualità, ma ottenendo una resa di produzione molto al di sopra e al di là della resa prevista per questo tipo di attività. Questo è ovviamente di grande aiuto per il Progetto AUP, sia economicamente che dal punto di vista dei tempi."